地理信息系统在地质领域中的应用Word文件下载.docx
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地理信息系统与其相关学科的关系示意图
按照边馥苓[1]教授的定义，地理信息系统是反映各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。
它的基础是地图可视化、数据库系统以及空间分析，将三者有机的结合起来，其核心是利用计算机技术建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库及属性数据库的联动关系。
图2：
地理信息系统组成示意图
GIS有两个显著特征：
一是它不仅可以像传统的数据库管理系统（DBMS）那样管理数字和文字信息属性信息，而且可以管理空间信息（图形信息）；
二是它可以利用各种空间分析的方法，对多种不同的信息进行综合分析，寻求空间实体间的相互关系，分析和处理在一定区域内分布的现象和过程。
我国GIS的发展自20世纪80年代初开始，以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个GIS研究室为标志，经历了准备（1980～1985年）、发展（1985～1995年）、产业化（1996年以后）3个阶段。
尤其是近年来随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流IT技术的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了第4代GIS技术[3]的概念。
第4代GIS技术将主要有如下特点：
①支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向多维发展，从静态数据处理向动态发展，具有时序数据处理能力。
②基于网络的分布式数据管理及计算、Web-GIS和B/S体系结构，用户可以实现远程空间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理（OLTP）和联机分析（OLA）管理能力。
③面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数据互动等多源数据的装载与融合能力，多尺度比例尺数据无缝融合、互动。
④具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力、基于空间数据的数据挖掘和强大的模型支持能力。
⑤具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。
例如与MIS、ERP、OA等各种企业信息化系统的无缝集成；
微型、嵌入式GIS与各种掌上终端设备集成，如PDA、手机、GPS接收设备等。
⑥具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户出现不同的用户界面及地图和虚拟现实效果。
三．GIS在地质领域中的主要应用
随着信息化技术和信息化产业的日益成熟，GIS也取得了突飞猛进的发展，功能不断增强，应用领域越来越广。
GIS具有强大的数据库管理功能、空间数据分析功能及辅助决策功能而成为一种全新的区域空间研究决策支持系统，这使得它能够高效率、高精度、定量的实现真正地学意义上的区域空间分析和过程模拟。
目前GIS在地学研究应用领域中的地位日益突出，特别是在地质制图、地质灾害的预测、石油勘探资料的管理、矿产资源的评价及预测等方面的应用深度和广度正在进一步拓宽，并且取得了显著的社会效益和经济效益。
3.1GIS与地质制图
石油赋存于地表以下，看不见，摸不着。
长期以来，人们对石油的勘探主要通过物探、测井等间接方法结合钻孔取心获得的“一孔之见”（岩心资料）和地表地质调查获得的感性认识，制作各种专题地图；
在地质和油气成藏理论的指导下，分析和圈定油气在地下的赋存规律和聚集场所。
因此，石油行业的各种专题图（如构造图、等厚图、各种地质剖面图、沉积相图、储层分布与评价图、生油岩分布图，油气资源评价与预测图等）的制作一直是石油地质工作的有机组成部分，在开展多学科、多途径的石油地质科研工作中，自始至终都运用制图方法表现它的研究成果。
然而，传统的石油地质制图过程尚存在以下不足[4]：
①劳动强度大、效率低、重复劳动多；
②图件的管理繁杂，利用率低；
③制图综合能力差；
④多图幅的综合分析研究主要停留在“目视判读”阶段，受人为因素影响大；
⑤无法实现各种专题图的三维可视化显示。
以上诸多不足表明传统的地质制图方法在某种程度上已不能适应迅速发展的油气田勘探、开发、研究的需要，迫切要求尽可能提高制图过程自动化，GIS的出现为地质专题制图提供了现代化的技术手段。
GIS应用于地质专题制图，可实现各种专题图的数字化，建立图形和属性两类地学数据相结合的数据库，各种专题信息全部存贮于计算机中，实现对地图数据分层信息成片存贮，易于管理和查询，可灵活地分幅检索、添加图幅、删除图幅，图件的更新、多图幅的拼接、制图综合和综合分析方便快捷。
此外，借助Internet还可实现资源的远程共享；
利用GIS的数字高程模型（DEM）使各种专题制图立体显示成为现实，为石油地质学家从多视角、多侧面观察和分析石油的赋存规律提供了新途径。
3.2GIS与地质灾害预测
地质灾害研究是涉及地质、地貌、气象、人文、人类活动等诸多领域的一个庞大和复杂的多元信息综合分析过程。
地质灾害信息的多源性、模糊性、非确定性和随机突发性，使得地质灾害信息处理和空间综合分析模型十分复杂。
而建立地质灾害信息系统成功地解决了地质灾害研究的瓶颈问题——如何高效地存储和管理地质灾害海量数据，对空间数据进行多层次分析。
我国已经建立了各式各样的地质灾害信息系统，如重庆市丰都县的地质灾害信息系统[5]、基于GIS的洪涝灾害监测评估系统[6]、GIS支持下的地震诱发滑坡危险区预测[7]、基于地理信息系统的岩溶塌陷预测评价体系[8][9]等。
岩溶塌陷是“岩溶－盖层－水”构成的系统在各种因素影响下表现出来的系统失稳过程，其环境非常复杂，影响因素种类繁多，既有空间位置的影响，又有时间发展的制约，同时人为活动也有着一定的影响，且这些因素之间相互制约。
因此，对岩溶塌陷成因的分析、主要影响因素的确定以及未来发展和趋势预测等，必须同时综合考虑众多的时空变化因素。
胡成，陈植华等在桂林西城区岩溶塌陷预测研究中，通过发展接口技术，把GIS的一般构成与预测应用方程式结合起来，实现了岩溶塌陷预测的计算机化，其预测流程图[8]如图3。
图3：
GIS支持下的岩溶塌陷预测流程图
3.3GIS与石油勘探的数据管理
GIS一般都具备强大的空间数据分析功能，易于将油气勘探开发所需的许多不同的资料进行综合和比较，以形成较为清晰且地质上较有意义的整体。
如李河，李舟波，王祝文等进行了基于VC++的MAPGIS二次开发[10]，实现了勘探信息的管理，该油气勘探数据管理系统主要包括三个子系统（图4）：
勘探地质信息综合管理与统计分析子系统，勘探成果图形编辑与矢量化子系统，勘探成果图形综合查询与统计子系统。
图4油气勘探数据管理系统功能图
自60年代以来，南非地难调查所、开普敦大学及南非博物馆对南部非洲陆棚及深海进行了大量的海洋地质和地球物理勘查，积累了极其丰富的数据资料和样品。
李晓池[11]等在测站坐标资料的基础上，利用dBASE数据库中其它地质、地球化学或地球物理勘测数据，在GIS中，由ARC/INFO进行多种多样的分析研究和计算，并绘制出了海水等深线图、粉砂等值线图等图件。
在含砂量百分比图等图件的绘制中，选用了不同的符号或不同大小的标记来显示，使其一目了然。
此外，所有图件都可以在纸张上按所需要比例标绘出来。
编制好的视界还可以很容易地转换成drawperfect，或其它绘图程序所能接受的形式。
然后根据需要，用其它程序进行修改并打印出来。
3.4GIS与矿产资源预测与评价
众所周知，矿产资源预测是综合地学信息，进行优选靶区的有效手段之一。
随着地学工作的深入和勘探技术的发展，已获得了大量的多源地学信息，如地质、地球物理、地球化学和遥感等资料。
如何从这众多的资料中提取有用信息进行综合分析达到矿产资源预测的目的，一直是地学界探索的课题。
过去，应用人工方法来进行此项工作，不但费力、投资大，而且难以达到预期的效果，方法技术也不利于推广。
如今，高速度、高质量的计算机已趋于普及，使得应用计算机技术高效地处理堆积如山的资料成为可能，尤其是已迅速发展起来的地理信息系统（GIS），为综合处理地学资料的矿产资源预测的方法技术开拓了广阔的前景。
地学工作者进行矿产资源预测时，通常是从多源地学资料中提取有用信息，然后应用专家知识，结合数学方法，如逻辑运算、贝叶斯（Bayes）规则等，建立预测模型，以模型的推理网络为线索，利用地理信息系统有效的空间分析手段，把各种证据图层综合叠加分析，最终产生以概率为指标的矿产资源预测图，高概率指示有利的矿产资源远景区，可作为勘探者和决策者进行勘查规划的依据。
基于GIS的多层次模糊数学评价方法已经在我国西北的鄂尔多斯、准噶尔、柴达木等盆地及华北的沁水盆地的煤层气评价[12]中取得了良好的效果。
与传统的手工综合评价方法相比，基于GIS的资源评价方法有许多优点：
（1）使传统的手工叠加图像分析和多元分析的数学方法相结合起来，大大降低了劳动强度，提高了工作效率；
（2）基于GIS的资源评价已经由原来的基于数据的理解转化为基于地质模型的理解，专家们可在评价系统中进行交互式地对多元评价信息进行对比、综合及综合分析中获得启发或认识，完善与总结规律；
3）基于GIS可产生一套科学的评价系统，评价系统的可维护性强。
下图便是以沁水盆地为例，经过基于GIS的综合评价后，得到的综合评价图。
图5沁水盆地综合评价区块
四．GIS在环境地质研究中的应用
随着一系列严重的环境问题对生产、
生活的影响越来越突出,
美国、
英国、
德国等世界发达国家都不同程度地加强了对环境地质的研究。
同时,
环境地质工作内容逐步扩大到水、土污染调查评价,
城市废弃物危害的调查评价,
以及相关地质资源潜力和开发利用的勘查评价,
用于获取和处理的地质、
地理、
地形和水资源数字化信息系统也相继建立。
同时其工作重点、
研究方法、
技术手段也都发生了巨大的变化。
表现在世界各国开始重视城市经济可持续发展的综合研究、
重视地质指标体系的研究、
重视城市环境地质工作超前服务战略的研究。
在工作中特别关注地质灾害风险性评估、
水土污染风险识别、
地下水资源可持续利用和城市脆弱性评价等;
在技术方法上强调多学科、
多种方法的配合,
尤其注重利用GIS、
RS、
GPS
技术进行环境地质调查、
地质灾害监测、
建立GIS
平台的地学信息空间数据库和自然灾害风险评估决策支持系统建设等。
2010年我国把环境地质研究资源调查与与地球化学、
地球物理相结合,
重视城市环境地质的安全性研究;
以城市群、
城市密集区为单元,
从区域环境地质角度、
从地质基础条件、
地质资源潜力条件、
地质环境条件等方面宏观评价城市区域布局的合理性、
适宜性,
为重大工程建设及时提供需求信息。
GIS在环境地质方面的应用主要包括以下两个方面。
4.1地质图编制及数据库建设
1996
年,
国家计委将
“中华人民共和国1:
50
万数字地质图数据库”
编制列入
“九五科技攻关计划”
。
该项目以M
apGIS510
软件为平台,
应用GIS
技术,
采用计算机软件制图的方法,
编制建立覆盖全国的地质图数据库于1999年完成，同期,
我国研制了一系列的数字地质图标准,
如
《数字化地质图图层及属性文件格式》（DZö
T
0197——1997）、
《区域地质图图例（1:
50000）》
（GB958——99）、
《地质图用色标准及用色原则》
（DZö
0179——1997）和
《地质图空间数据库建设工作指南（210
版）》
等。
目前我国开发的基于GIS
技术的地质数据库系统主要有中国地质科学院成矿远景区划室基于空间GIS
在A
rc
Info
软件平台上完成的中国地质图数据库、
1:
500
万中国矿产资源找矿信息库的系列建设;
中国地质科学院矿床地质研究所以美国Cali
per
公司Map
titude
WebGIS
产品为平台,
利用ASP
（Act
ive
Server
Pages）技术,
开发出因特网
“中国矿产资源数据库”
实现了分布式数据共享。
系统论述了数字地质图数据建模理论、
技术和方法,
为我国地学空间信息基础设施的建设和地质图信息化、
工程化提供了新思路。
4.2资源评价与环境管理
的空间分析功能对各种各样的不同比例尺的地质信息、地质找矿信息、地质工程信息等进行组合、匹配、
叠加、筛选、融合以达到对“5P”地段的圈定。
研究利用GIS
技术对长江三角洲地区的土地资源、
长江岸线资源和滩涂资源以及太湖水环境进行动态监测和稳定性进行评价;
黄润秋等对应用GIS
技术实现区域生态地质环境评价的方法和流程等方面做出了指导性的论述。
已有研究显示,
我国GIS
矿产资源评价的思路正由以资源技术评价为主,
逐步转变为资源环境评价、
技术评价和经济评价为一体的综合评价。
五．GIS在地质剖面绘图的应用
地质剖面图是地质层在垂直向上最直观最有效的表达方式。
它主要用于配合地形地质图了解矿区地质全貌,
是矿山总体设计依据之一。
通过剖面图可以更清楚地了解区内岩层
（
或矿体）
在地下深处的延展、
分布情况和构造特点,
对于认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律,
指导矿产资源和工程地质勘探,
都具有重要的意义。
GIS
的出现为地质工作者带来新的契机。
GIS是一种融计算机图形与数据库于一体、
用于存储和处理空间信息的现代高新技术,
它能将地质体地理位置与相关地质属性有机结合起来,
按照各种实际需要准确真实、
图文并茂地把它们输出给用户,
同时借助其独有的空间分析功能和图示化表达能力,
帮助地质工作者进行各种地质辅助决策分析,
是一种可以超越传统方法解决地质问题的先进手段。
5.1
剖面数据分析
由于自动生成地质剖面图是根据某一方向一定数量的控制性地质钻孔绘制而成,
因此,
精确描述这些钻孔的位置信息就显得特别重要。
根据通用
软件的设计思想,
只要获知所有控制性地质钻孔的地理坐标,
便可在地图上确定其位置。
5.2
柱状图的绘制
剖面图的绘制是以钻孔柱状图为基础的,
因此绘制钻孔柱状图是实现剖面绘制的前提。
钻孔柱状图生成的主要过程是:
从数据库中提取相应的钻孔数据和岩性数据,
通过
EasyMap
已有的自动生成柱状图功能生成柱状图。
2.3
剖面图的绘制
一是剖面线的连接;
二是岩性符号的填充。
六．三维GIS数据模型在地质矿山中应用分析
我们知道地质矿山现象极其复杂，既包括地层、断裂、矿体等天然地质体，也包括钻孔、竖井、巷道、采矿区等人工设施。
从几何角度来看包括点、线、面、体。
因此采用什么样的三维数据模型来描述地质矿山现象应针对各类现象的特点而异。
应本着描述结构简单、具有拓扑关系、满足一定的空间精度、便于处理与分析的原则。
GIS应用技术在传统三维数据模型的基础上进行了发展，有效地解决了描述中的实际问题。
但是目前还未见一个真正满足地质矿山领域的基于三维数据模型的三维GIS软件。
可以相信，采用面向对象技术与方法来分析研究适合地质矿山现象的三维GIS数据模型是未来的趋势。
七．展望
尽管GIS在地质领域中的应用才刚刚起步，但已显示出广阔的发展前景，相信随着GIS技术的进一步发展和日臻完善，以及GIS技术被更多的地质工作者所了解和接受，GIS将更广泛应用于地质的各领域特别是油气勘探开发领域，成为石油地质工作者进行资料管理、图件编制、项目施工、专题研究、远景评价和开发方案制定等不可缺少的辅助手段和方法。
同时，我们也应该看到，GIS只是为各领域的应用提供了一个二次开发的平台及一些相关分析模块，它并不能解决地质领域的所有问题，真正了解GIS的精髓需要较扎实的计算机基础，只有地质工作者与GIS专业人员密切配合才能显示出GIS在地质领域的巨大潜力。
除在现有的ArcView，MapInfo等GIS通用基础软件平台上经二次开发研制适合地质领域的应用软件外，更重要的是结合地质学领域的实际，研制出适合地学应用的基础软件平台，如将地学中的盆地模拟、储层建模、地质统计方面的数学手段和方法嵌入到GIS的空间分析模块中，扩展GIS的空间分析功能，形成专门用于地学领域研究的GIS基础平台，将使GIS在地质领域发挥更大的作用。
另一方面，地质领域尤其是油气勘探开发是以地下三维地质体为研究对象的，GIS的真三维可视化图形表达技术更受石油工作者的青睐，然而，三维GIS在数据结构和数据模型方面的研究还远不能满足非均质的空间实体的真三维表达，从而制约了GIS在油气勘探开发方面的应用。
相信随着三维GIS技术的飞速发展，GIS在地质领域中的应用将更加广阔。
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